Болты с шестигранной головкой с полной и частичной резьбой: понимание структурной разницы

Конструктивная разница между шестигранными болтами с полной и частичной резьбой не является вопросом предпочтений — он определяет, как нагрузка передается через сустав . Болты с полной резьбой (также называемые болтами с полной резьбой) несут растягивающую нагрузку по всему хвостовику и лучше всего подходят для зажима двух резьбовых элементов или использования с гайками по всей длине захвата. Болты с частичной резьбой имеют гладкую часть хвостовика без резьбы, которая находится в месте соединения, обеспечивая превосходное сопротивление сдвигу и лучшее выравнивание в структурных связях. Выбор неправильного типа является распространенной ошибкой в ​​спецификации, которая может привести к проскальзыванию соединения, усталостному разрушению или недостаточному усилию зажима.

Как определяются шестигранные болты с полной и частичной резьбой

Различие между этими двумя типами сводится к тому, где начинается и заканчивается резьба относительно хвостовика болта.

Полные шестигранные болты с резьбой

Полный болт с шестигранной резьбой навинчивается непосредственно под головкой к концу болта. Нерезьбового хвостовика нет. В соответствии со стандартами ISO 4017 и ASME B18.2.1 болты с номинальной длиной до определенного предела по умолчанию изготавливаются с полной резьбой — например, Болт М12 длиной до 40 мм. обычно поставляется с полной резьбой в соответствии со спецификациями ISO. Резьбовая часть входит в зацепление с гайкой или резьбовым отверстием по всей длине рукоятки.

Болты с шестигранной головкой и частичной резьбой

Болт с шестигранной головкой с частичной резьбой, также называемый винтом с шестигранной головкой или болтом с шестигранной головкой и хвостовиком, имеет гладкую цилиндрическую часть (хвостовик или рукоятку) между головкой и резьбовой частью. Длина хвостовика без резьбы зависит от размера и стандарта болта. Для Болт M16 × 80 мм по ISO 4014 , длина резьбы составляет примерно 44 мм , оставив примерно 36 мм хвостовика без резьбы. Этот хвостовик изготовлен с более жестким допуском по диаметру, чем хвостовик резьбы, что позволяет ему точно входить в просверленные отверстия.

Структурная механика: почему хвостовик все меняет

Чтобы понять, почему это различие имеет значение с конструктивной точки зрения, необходимо изучить, как каждый тип болта реагирует на две основные силы в болтовом соединении: растягивающая нагрузка (вдоль оси болта) и сдвиговая нагрузка (перпендикулярно оси болта).

Прочность на разрыв: полная резьба имеет меньшую зону напряжения.

Самое слабое сечение любого резьбового крепежа находится у основания резьбы — впадины между гребнями резьбы — где эффективная площадь несущей способности уменьшается. Это выражается количественно как площадь растягивающего напряжения (As) . Для болта М16 площадь растягивающего напряжения составляет примерно 157 мм² , по сравнению с полной площадью поперечного сечения хвостовика 201 мм² . В болте с полной резьбой эта уменьшенная площадь существует по всей длине. В болте с частичной резьбой только резьбовая часть имеет уменьшенное поперечное сечение; хвостовик имеет полный номинальный диаметр, необходимый для передачи нагрузки при определенных условиях нагрузки.

Прочность на сдвиг: хвостовик без резьбы имеет решающее значение

В прочности на сдвиг разница становится наиболее существенной на практике. Когда болт нагружен срезом — например, в нахлесточном соединении, соединении балки или в виде шплинта — плоскость среза в идеале проходит через хвостовик без резьбы полного диаметра , а не через корень потока. Корень резьбы в плоскости среза уменьшает эффективную площадь среза примерно 20–30% по сравнению с полным поперечным сечением хвостовика. Размещение болта с полной резьбой в срезном соединении, где впадина резьбы пересекает плоскость среза, является ошибкой конструктивной спецификации. Такие стандарты, как АИСЦ 360 и ЕН 1993-1-8 оба различают плоскости среза через хвостовик (более высокая прочность) и плоскости среза через резьбу (меньшая мощность) в своих таблицах допустимых пределов болтов.

Посадка и выравнивание в суставе

Гладкий хвостовик болта с частичной резьбой изготавливается с допуском, который позволяет ему плотно входить в рассверленное или точно просверленное отверстие, обеспечивая точное выравнивание между соединяемыми элементами. Болты с полной резьбой и их винтовой геометрией по всей длине не могут обеспечить такую ​​же точность позиционирования и не подходят для болтов с жесткими допусками или для подгоночных болтов, где необходимо контролировать боковое перемещение.

Стандарты длины резьбы: что на самом деле указывают спецификации

Длина резьбы в болтах с частичной резьбой рассчитывается по стандартным формулам, а не выбранным произвольно. Понимание этих формул помогает инженерам убедиться, что резьбовая часть полностью входит в гайку, а хвостовик находится в зоне соединения.

Практический пример: Болт M20 × 100 мм по ISO 4014 имеет длину резьбы 2(20) 6 = 46 мм , оставив хвостовик диаметром 54 мм без резьбы. Если длина захвата шарнира составляет 50 мм и используется стандартная высота гайки M20 16 мм, зацепление резьбы составляет 46 − (100 − 50 − 16) = достаточно, но расчет всегда необходимо проверять для каждой конфигурации соединения, чтобы гарантировать, что хвостовик, а не резьба, находится в плоскости сдвига.

Параллельное сравнение: полный поток и частичный поток

Реальные приложения: какой тип где принадлежит

Выбор между полной и частичной резьбой становится простым, как только становится понятна нагрузка на соединение. Следующие примеры иллюстрируют, где правильно применяется каждый тип.

Используйте шестигранные болты с полной резьбой, когда:

• Требуется только зажимное усилие: Фланцевые соединения, монтажные пластины оборудования и несрезывающиеся соединения, в которых болт нагружен исключительно на растяжение, выигрывают от полной резьбы, поскольку гайку можно расположить в любом месте хвостовика, чтобы приспособиться к материалам различной толщины.
• Ввинчивание в резьбовое отверстие: Когда болт ввинчивается непосредственно в глухое резьбовое отверстие или в резьбовую вставку, полная резьба максимизирует длину зацепления и сопротивление выдергиванию.
• Короткие болты до 40 мм: При небольшой длине резьбовая часть, полученная по формуле, в любом случае будет занимать почти весь хвостовик, что делает болт с полной резьбой стандартным вариантом поставки и практичным выбором.

Используйте шестигранные болты с неполной резьбой, когда:

• Соединения стальных конструкций: Соединения балки с колонной, косынки и соединения моментной рамы в соответствии с конструкцией AISC или Еврокодом обозначаются болтами с частичной резьбой — обычно АСТМ А325 или А490 (имперский) или ISO 8,8 или 10,9 (метрический) — место, где хвостовик находится в плоскости сдвига между соединенными пластинами.
• Машины с динамическими сдвиговыми нагрузками: Корпуса коробок передач, опоры двигателя и вращающееся оборудование, в которых на шарнир действуют циклические боковые силы, требуют полного поперечного сечения хвостовика, чтобы противостоять сдвигу, вызванному усталостью.
• Применение точного выравнивания: В станинах станков с ЧПУ, приспособлениях и крепежных пластинах, а также в креплениях оптического оборудования используются рассверленные отверстия с болтами с частичной резьбой с жестким допуском для обеспечения точности позиционирования под нагрузкой.
• Мост и гражданская инфраструктура: Высокопрочные конструкционные болты в соединениях балок мостов всегда имеют неполную резьбу, при этом хвостовик входит в соединительные пластины, указанные в расчетных чертежах соединений.

Самая распространенная ошибка спецификации — и как ее избежать

Самая частая ошибка при выборе болта указание болта с частичной резьбой и недостаточной длиной хвостовика так, чтобы корень резьбы пересекал плоскость сдвига соединения. Это происходит, когда болт слишком короток для длины захвата или когда к существующему соединению добавляются шайбы или дополнительные слои без переоценки длины болта.

Правило проверки простое: длина хвостовика без резьбы должна быть равна или превышать общую длину рукоятки (сумма всех зажатых слоев плюс любая толщина шайбы). Резьбовая часть должна выступать достаточно далеко за поверхность гайки, чтобы обеспечить полное зацепление резьбы — минимум один шаг резьбы Выход резьбы за пределы гайки — это стандартная проверка сборки.

Например, в двухнахлестном сдвиговом соединении с двумя Стальные пластины 12 мм. и one шайба 3 мм под гайку минимальная необходимая длина хвостовика равна 12 12 3 = 27 мм . Болт, длина резьбы которого начинается на расстоянии 20 мм от конца, приведет к тому, что впадина резьбы окажется внутри стыка соединения — неверная спецификация, которую необходимо исправить, выбрав более длинный болт или болт с более длинным хвостовиком.

Классы прочности применимы к обоим типам, но взаимодействуют по-разному

Болты с шестигранной головкой как с полной, так и с частичной резьбой доступны в стандартном диапазоне классов прочности. Маркировка класса на головке болта применяется независимо от конфигурации резьбы.

Одно важное взаимодействие: в болтах с частичной резьбой увеличение класса увеличивает прочность на растяжение и сдвиг на участке резьбы, но способность хвостовика к сдвигу зависит от площади поперечного сечения хвостовика и прочности материала на сдвиг. — не только по оценкам оценок. Болт с частичной резьбой более низкого качества большего диаметра может превзойти высококачественный болт меньшего диаметра в соединениях с преобладанием сдвига. Для критических соединений всегда рассчитывайте предел прочности на сдвиг, исходя из основных принципов, а не полагаясь только на класс прочности.

Резюме: Выбор между полной и частичной резьбой

Схема принятия решений проста при последовательном применении:

• Если сустав нагружен прежде всего в напряжении и grip length may vary — use full thread.
• Если сустав несет сдвиговая нагрузка поперек болта — используйте неполную резьбу и убедитесь, что длина хвостовика покрывает всю рукоятку.
• Если точность позиционирования между элементами — используйте неполную резьбу в расширенном отверстии с жестким допуском.
• Если the bolt is короткий (обычно менее 40 мм для M12 и ниже) — Полная резьба входит в стандартную комплектацию и подходит для большинства случаев применения без сдвига.
• Никогда не предполагайте, что эти два типа взаимозаменяемы в приложения структурных или динамических нагрузок без проверки, какую плоскость сдвига занимает корень резьбы.

Структурная разница между шестигранными болтами с полной и неполной резьбой не видна глазу после сборки соединения, но ее последствия под нагрузкой измеримы, а в критических случаях разница между соединением, которое работает так, как задумано, и соединением, которое не работает.